嵌入式硬件实战基础篇(二)-稳定输出3.3V的太阳能电池-无限充放电

引言：本内容主要用作于学习巩固嵌入式硬件内容知识，用于想提升下述能力，针对学习稳压芯片和电容以及电池之间的运用，对于硬件PCB以及原理图的练习和前面硬件篇的实际运用；太阳能是一种清洁、可再生的能源，广泛应用于各种领域，如环境监测、户外供电以及低功耗设备。由于太阳能电池板的输出电压和电流随光照强度变化，需要一个稳定的电源管理系统为负载设备提供恒定电压。超级电容因其高功率密度、快速充放电能力和长寿命，成为太阳能供电系统中理想的储能元件。本项目旨在设计并实现一个利用太阳能电池板为超级电容充电，并通过稳压芯片提供稳定3.3V输出的系统，为负载设备提供可靠的电源支持。

本文介绍了一种基于太阳能电池板和超级电容的稳定3.3V电源设计方案。系统利用太阳能电池板将光能转化为电能，通过肖特基二极管防反向放电，并为超级电容充电，储存能量以供负载使用。稳压模块采用低压差稳压器（LDO）或DC-DC降压芯片，将超级电容的电压转换为恒定的3.3V输出，为负载提供稳定电源。该系统结构简单、可靠性高，适用于低功耗传感器、户外监测设备等场景，展现了太阳能供电的高效性和可行性。

目录

原理说明

硬件选型

原理图设计

PCB设计

原理说明

利用太阳能电池板给超级电容充电，然后通过稳压芯片，把电压稳定在3.3V即可。

• 太阳能电池板： 提供能量来源，将太阳光能转化为电能。其输出电压和电流会随光照强度变化，通常具有一个最大功率点。

• 超级电容： 储能装置，用于储存太阳能电池板产生的能量。相比电池，超级电容具有高功率密度和长寿命的特点，但其储能密度较低。

• 稳压芯片： 将超级电容的输出电压转换为稳定的3.3V，提供给负载使用，确保负载正常运行。

(1) 太阳能电池板充电超级电容

• 直流电压输出： 太阳能电池板在光照下产生直流电，其电压通常随光照变化。为了避免电流倒灌到电池板，通常在电池板输出端串联一个肖特基二极管。

• 超级电容充电： 太阳能电池板的电流直接流向超级电容，使其电压逐渐上升到接近太阳能电池板的输出电压。

  • 若需要限制充电电压，可加入简单的电压钳位电路（如齐纳二极管）或一个降压DC-DC电路。

(2) 超级电容向负载供电

• 稳压电路： 超级电容在放电时，其电压会随着电量减少而降低，不能直接为负载供电。因此需要一个低压差稳压器（LDO）或者DC-DC降压芯片，将超级电容的电压稳定到3.3V。

  • 稳压芯片（如 AMS1117-3.3）可以将输入电压稳定在3.3V，提供稳定输出。

• 负载工作： 稳压后的电压直接提供给负载，无论超级电容的电压如何变化，负载始终能获得稳定的3.3V电压。

硬件选型

电容：选用超级电容，超级电容容值1.5法拉，耐压是5.5v，选用超级电容是因为本身超级电容比锂电池，主要是觉得超级电容安全，可以充放电循环几十万次，安全性也高，对比锂电池只有几百次的循环，缺点就是自放电，不接负载也会放电，充电抵消放电，电压不稳定，满电是5V。

稳压芯片：这颗稳压芯片既可以升压也可以降压，只要输入电压在1.8V在5V之间，都可以稳定的输出3.3V，静态电流非常低，数据手册如下所示：

稳压相关引脚如下所示：

原理图设计

结构非常的简单如下所示：

具体设计如下所示：

PCB设计

Layout设计可以参考如下示图：

PCB具体设计如下所示：